基于FLUENT的車用渦輪增壓器蝸殼內三維流場研究

劉湘玲 劉政伍

摘要：為適應節能減排趨勢，發動機的節能減排性能近年來受到業界高度重視，渦輪增壓技術的應用也開始受到廣泛關注。基于此，本文將應用FLUENT軟件研究車用渦輪增壓器蝸殼內三維流場，研究證明FLUENT軟件在計算三維流場數值方面具備較高實用性，且研究中單缸機上設置的渦輪增壓器工作狀況良好。

Abstract： In order to adapt to the trend of energy saving and emission reduction， the energy saving and emission reduction performance of engines has been highly valued by the industry in recent years， and the application of turbocharging technology has also begun to receive extensive attention. Based on this， this paper will use FLUENT software to study the three-dimensional flow field in the volute of a turbocharger for vehicles. The research proves that the FLUENT software has high practicality in calculating the three-dimensional flow field value， and the turbocharger set on the single-cylinder engine in the research The device is in good working condition.

關鍵詞：車用渦輪增壓器;蝸殼;三維流場;FLUENT

Key words： turbocharger for vehicle;volute;three-dimensional flow field;FLUENT

中圖分類號：U464.135+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0029-03

0? 引言

廢氣渦輪增壓技術屬于發動機小型化的主流途徑之一，發動機的動力性、經濟性、排放性能夠在該技術支持下實現長足提升。作為廢氣渦輪增壓技術的核心部件，渦輪增壓器由渦輪和壓氣機組成，為保證廢氣渦輪增壓技術能夠更好提升發動機節能減排性能，本文將圍繞具備質量輕、尺寸小、成本低、結構簡單等特性的無葉蝸殼開展三維流場研究。

1? 模型選擇

本文研究的渦輪增壓發動機屬于改裝Ricardo E6單缸機的產物，渦輪增壓器選擇Honeywell GT2052，發動機性能在渦輪增壓器應用后提升顯著，結合計算獲取的渦輪入口處的相關參數，即可為車用渦輪增壓器蝸殼內三維流場研究提供依據。由于渦輪增壓器內部存在遵循能量守恒、動量守恒、質量守恒定律的氣體流動過程，為深入了解蝸殼內部流場，需結合FLUENT軟件和CFD進行研究，通過對物理法則、流動模型的優選，并基于法則選取數值計算方法，因此具體研究圍繞可壓縮粘性流體的控制方程進行。假定流場某一有限區域內存在封閉體積，如空間中該體積不會因流體流動而運動，可將其視作熱力學開口系統，如其因流體流動而運動且其體積內部存在始終包含的內部流體單元，可將其視作熱力學閉口系統。通過在兩種系統中應用物理法則于體積上，積分形式控制方程可針對性獲取。如假設某一流場區域內存在的流體單元無限小，且能夠滿足微分計算條件，如其內部存在大量分子，這類流體單元可以被視作連續體，隨著流體流動而運動的連續體也能夠保持不動。需將物理法則用于各類微元體，以此得到微元體控制方程[1]。

2? 控制方程

2.1 連續性方程

為保證控制體流入和流出的流體質量相等，式（1）所示的連續性控制方程需要設法滿足。

（1）

式中的？籽、t、v分別為氣體密度、時間、氣缸容積。

2.2 動量守恒方程

為保證微元體上作用的各力之和與微元體中流體動量增加率相等，需保證存在滿足動量守恒方程的流經微元體流體，由于本文圍繞牛頓流體開展研究，因此選擇粘性切應力公式，可由此得到三個速度分量的動量守恒方程。

上述三個方程適用于湍流和層流，但求解計算在湍流形式下開展會對計算機運算速度及內存提出較高要求。在具體操作中，求解計算多圍繞方程組中的非穩態項進行，并應用時均法，為滿足湍流的特性并保證方程的封閉性，求解計算還需要補充其他方程[2]。

2.3 能量守恒方程

引入傅里葉定律、溫度T、比焓h，可得到能量守恒方程為：

（5）

機械功在粘性作用下轉化為熱能部分表示為？椎，流體內熱源表示為Sh，可基于式（6）確定？椎值。

（6）

式中的代表表面力對微元體做的功，一般可以忽略。

2.4 通用控制方程

選擇服從通用守恒準則的因變量，包括w、v、u等，可由此得到通用控制方程：

（7）

式中S？準的代表通用因變量。研究僅關注方程的解，基于通用方程特殊情況對待所有微分方程，計算時間因此縮短，通用方程基于編制程序求解也順利實現。

2.5 湍流模型

對于存在三維不規則流動的湍流，其本質上屬于涉及旋轉現象的復雜非穩態，時間與空間變化會導致其壓力、速度等物理參數改變，在近年來的相關研究中，多種湍流模型被提出，如k-？棕模型、k-？著模型等，本文研究采用k-？著模型作為研究用湍流模型。通過引入湍流動能和耗散率方程，k-？著模型可實現方程組封閉，該模型涉及的假設包括存在正比關系的湍流平均應變速率和應力、湍流的特征長度可完美表示、渦流粘度可通過兩個參數表示、存在線性相關的湍流應變速度和應力，本文研究采用標準k-？著模型[3]。

3? 車用渦輪增壓器蝸殼內三維流場分析

3.1 數值差分格式

假定單元中心變量在計算需要一階精度時屬于所有單元內變量的值，且內部的量與表面的量相等，因此計算在選用一階迎風格式時，設定迎風單元中心值為表面值。對于需要達到二階精度要求的計算，表面值計算一般選擇表面值，單元表面的二階精度實現需得到中心解的泰勒展開式支持，具體計算為：

（8）

式中的？準、準分別為單元中心值、迎風單元的中心至表面的位移矢量、迎風單元梯度值。

3.2 蝸殼內流場幾何模型

為建立蝸殼流道三維模型，研究采用的軟件為Pro/Engineer，作為典型的自動化建模軟件，該軟件以參數化設計思想為基礎，主要的模型創建依據為尺寸數值，所需模型可依托智能特性功能生成，如葉片、蝸殼、葉輪等。由于軟件在統一基層上建立數據庫，因此修改設計錯誤僅需要圍繞對應模塊開展即可，無需修改整個模型。

蝸殼內的流道屬于研究的計算區域，因此可通過幾何實體對該流道模型進行表示，對于存在不規則特點的蝸殼內流道，建模的難度較高，因此處理需基于渦輪增壓器開展，將蝸殼內流道部分從原模型中取出，用于研究的三維模型可順利獲得。通過抽取原始模型獲取蝸殼流道模型，可得到更加精確的幾何參數，蝸殼流道形狀的更真實還原也能夠實現，按照stp格式轉化蝸殼內的流道模型，即可向GAMBIT軟件中導入，該前處理軟件負責網格處理。作為CFD計算的國內外主流軟件，FLUENT由兩部分組成，包括FLUENT、GAMBIT，即核心求解器、網格處理模塊。網格處理模塊中的固有的模塊可用于實體模型生成，同時支持導入其他軟件建立的模型，通過結構化、混合等多種網格的生成，網格處理模塊能夠為后續研究提供依據。計算區域的數值計算在軟件中采用有限容積法，該方法存在廣泛應用范圍，能夠用于解決傳熱介質、跨音速流、超音速流、非定常流、攪拌混合、剪切分離流動等問題，軟件提供的多種算法及物理模型在其中發揮著重要作用。

3.3 網格處理

對于CFD模型來說，網格屬于其幾何表達形式，同時屬于分析和模擬的載體，計算的效率和精度會直接受到網格質量影響。結合研究可以發現，收斂的速度受到的網格劃分質量影響也較為顯著，如存在較差劃分質量，殘差不收斂或收斂緩慢情況很容易在計算過程中出現。如CFD問題較為復雜，網格的生成很容易出錯且需要耗費大量時間。

在本文研究劃分網格的過程中，主要遵循三方面原則：

第一，網格數量。

計算規模和計算精度會受到網格數量影響，因此必須設法權衡網格數量增多帶來的計算精度提升和計算時間延長，設法確定最佳結合點;

第二，網格疏密。

幾何模型上數據分布特點需要設法適應，因此網格劃分需選擇大小不同網格用于不同結構部位處理，對于數據密集、參數變化大的部位，需保證網格較為密集，更好實現對數據變化規律的反映，反之則需要保證網格較為稀疏;

第三，貼體邊界。

與邊界線正交的網格線也需要設法實現，也可以保證二者接近正交，離散誤差減少、計算精度提升可順利實現。還應保證存在與流動方向盡量一致的網格線，以此減少假擴散誤差，具體需要基于實際流動進行網格更新，更好滿足計算需要。

3.4 蝸殼邊界條件設置

研究選擇質量入流作為氣流進口處邊界條件，以此給定渦輪機入口處相應條件，如密度、壓力、溫度等，給定屬于循環平均值的質量流量及總壓，以沿入口法線方向進入為速度方向定義。壓力出口邊界用于蝸殼出口處，對于無法準確測量的噴嘴環出口數據，基于0.5的渦輪反力度進行估算，估算結果為124987Pa，將其作為邊界條件，絕熱邊界條件用于壁面溫度，無滑移邊界用于壁面速度。忽略重力對流場帶來的影響，同時將能量方程引入計算過程。

3.5 仿真結果及分析

湍流流場基于微分方程的直接求解難度過高，因此研究對平穩湍流流動的求解選擇時均法。受脈動值影響，存在大于方程個數的方程中未知數個數，對于無法封閉的方程，需組成k-？著雙方程模型。選擇隱式格式求解，穩態解可通過耦合求解獲取，結合上述邊界條件，開展502次迭代，結果收斂，蝸殼出、入口處質量流量存在1/1000內的相差，質量守恒定律得以滿足。圍繞1400rpm轉速發動機開展數值計算，可得到渦輪內部速度矢量場、壓力場、溫度場、湍流強度、湍流動能，以及避免切應力的計算結果。開展針對性分析可以發現，單缸機上渦輪增壓器的工作情況得到直觀展示。蝸殼內部存在較為均勻的壓力場、壓力場溫度場分布，這說明單缸機上渦輪增壓器能夠穩定工作，可持續利用發動機廢氣。進一步分析可以發現，受氣體粘性影響，蝸殼近壁面處產生的附面層對速度和壓力存在一定影響，較低流速和較高壓力在近壁面處產生。通流截面收縮在靠近噴嘴區域處較快，氣體的宏觀動能由一定壓力轉化，提升較快的噴嘴環處速度使得壓力出現一定下降。受交匯碰撞的出、入口氣流影響，渦舌處存在不穩定流動的少量氣體，異常流場會隨之形成，導致速度和壓力下降、溫度過高。開展湍流運動分析能夠確定，蝸殼內存在整體層面較為穩定的氣體流動，一定湍流僅產生于渦舌處，但這對渦輪增壓器穩定工作帶來一定制約，具體設計必須設法改進。分析壁面切應力可以發現，相較于其他部分，噴嘴處的壁面存在明顯較高的切應力，這源于流道漸窄、氣體流速較高影響，靠近噴嘴處存在大于其他部分的垂直于流動方向速度。

4? 結論

綜上所述，車用渦輪增壓器蝸殼內三維流場研究存在較高現實意義。為更好開展渦輪增壓器的優化設計研究，實際改裝探索、非穩態計算開展、葉輪內流場影響研究同樣需要得到業內人士重視。

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